虞剛，李力/YU Gang, LI Li

“互動”一詞的含義，有心理學、物理學及社會學不同方面的闡釋?！盎ァ笔墙惶婧拖嗷サ囊馑?；而“動”是起作用或變化運動的意思。因此，“互動”是使不同系統(tǒng)或物質(zhì)間發(fā)生相互作用或變化的過程。如今，建筑學的所謂“互動”（interactive）通常和“可適應(yīng)”（adaptive）、“可變”（flexible）、“響應(yīng)”（responsive）等概念相關(guān)聯(lián)。隨著過去幾十年技術(shù)的不斷進步，“互動”在建筑學中涉及的理論外沿和實際意義也在不斷拓展。

值得注意的是，互動并不總是建筑學領(lǐng)域的主要關(guān)注對象。在早期，互動更多地被看作是建筑學之外的技術(shù)問題，是作為設(shè)備技術(shù)的一部分，而不是建筑學的內(nèi)部問題，正如電梯或自動門等等。在很長一段時間，互動問題基本處在游離于建筑學邊緣的境地。之后，隨著數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對日常生活的全面介入，互動才重新得到重視，成為日常建成環(huán)境中無法回避的重要問題?；拥闹匾詫⑷找嫱怀觯踔猎诓痪靡院髸蔀榻ㄖW未來面臨的核心問題，這對建筑師和建筑教育來說既是新挑戰(zhàn)也是新機遇。

1 互動作為未來趨勢

簡單的說，互動建筑是指能夠和人及其周邊環(huán)境產(chǎn)生相互作用的建筑，是具有適應(yīng)性和可變性的建筑，能根據(jù)使用者的需求和環(huán)境狀況發(fā)生實時或延時改變，同時，這種變化也會影響使用者對于建筑的感知、認知和使用。從使用和使用者這個角度來說，互動建筑設(shè)計的好壞并不完全取決于技術(shù)的復雜和先進程度，而在于是否能對使用者、環(huán)境和時間做出恰當?shù)幕貞?yīng)，并切實解決設(shè)計問題。

1950年代的“遙控”技術(shù)帶動了建筑中環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展，建筑中出現(xiàn)了“中央控制室”這一功能。隨著系統(tǒng)控制的發(fā)展，1960年代控制室發(fā)展成硬件連線的控制板，它能記錄信息，提示和警告出問題的參數(shù)，這樣，控制系統(tǒng)占用的面積大大縮小。1970年代，建筑師轉(zhuǎn)而追求建筑和環(huán)境的使用效率，他們試圖應(yīng)用技術(shù)來提高房屋的耐久性并節(jié)約資金花費。這個過程同時伴隨了兩種傾向的出現(xiàn)，一方面，主流建筑界無法接受這些互動技術(shù)作為建筑的基本出發(fā)點，僅僅是作為改善建筑環(huán)境的某類技術(shù)；另一方面，先鋒建筑師們看到了新技術(shù)在未來的巨大潛力，不論在觀念還是在小范圍的實踐中都做出了全新探索。這兩方面的探索都為如今的互動建筑學奠定了技術(shù)和觀念基礎(chǔ)，缺一不可。1961年設(shè)計的“歡樂宮”（Fun Palace），是最早付諸實施的建筑師、規(guī)劃師、控制論專家以及計算機專家合作的互動建筑項目（圖1）。項目的參與者將控制論思維引入到建筑領(lǐng)域，為互動建筑理論奠定技術(shù)理論基礎(chǔ)。他們的開創(chuàng)性工作為后來建筑中互動設(shè)備的設(shè)置提供了基本的概念框架，以便應(yīng)對和解決互動的復雜性，保證互動環(huán)境參與者的創(chuàng)造性角色，且避免出現(xiàn)僵化、教條甚至攻擊性的互動環(huán)境。建筑師首先是個系統(tǒng)架構(gòu)者，這樣，建筑的“可操控”能力才會被強調(diào)，建筑系統(tǒng)才能支撐信息流在建筑中的合理運轉(zhuǎn)。

在控制論專家的影響下，互動建筑領(lǐng)域開始蓬勃發(fā)展，逐步建立了整體的理論框架和技術(shù)基礎(chǔ)，開展了各種類型的實踐活動。當時的美國建筑學者與計算機專家共同發(fā)展出“適應(yīng)性-條件式建筑”（Adaptive-Conditional Architecture）的概念模型，認為建筑師應(yīng)當將空間和使用者看作整體的反饋系統(tǒng)，在建立了使用者和建筑之間的雙向關(guān)系后，也就建立了一個適應(yīng)性建筑環(huán)境。這個概念模型是建立在當時的機械自動化線性思維之上，是利用當時的技術(shù)條件提供了一個機器導向的互動模型，適合于處理簡單邏輯的互動模式，依賴的是大量初級裝置的平行運作。這個想法在當時得到了眾多響應(yīng)，其中最為典型的做法認為設(shè)計的目標之一是通過預測和避免不確定性，來預測建筑中使用者的未來需求，以便讓建筑存活更長的時間，而新技術(shù)通常能幫助建筑師實現(xiàn)這個目標。以此為基礎(chǔ)，設(shè)想利用控制論技術(shù)實現(xiàn)建筑的自動化，以便解決建筑中存在的現(xiàn)實問題，創(chuàng)造融合控制論和建筑學的可預見機制。

微機和個人電腦（PC）后來在建筑中的引入，導致集散式數(shù)字控制取代了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，也讓人機互動技術(shù)、人工智能和機器人科學在建筑中的應(yīng)用發(fā)展到了一個新的階段并逐步得到統(tǒng)一整合。這讓互動建筑在實現(xiàn)自我調(diào)整的同時，具有很強的參與性?！捌占斑\算”（Ubiquitous Computing）概念的產(chǎn)生，改變了人們對于互動建筑的理解及設(shè)計方式，使得人們能將發(fā)生互動的界面與其背后的運算技術(shù)分開設(shè)計與研究。這影響了后續(xù)的互動建筑的理論發(fā)展，也成為了嵌入式計算研究的開端。后續(xù)研究據(jù)此又發(fā)展出了“智能環(huán)境”（Intelligent Environments）的概念。它的研究重點在于如何在空間中整合嵌入式計算和通訊技術(shù)，如何在建筑中加入人工智能和機器學習的技術(shù)，如何利用計算增進和改善人們的日?；顒印１热?，利用控制系統(tǒng)觀察和預測居住者的行為和需求，并且學習控制和管理風熱、水熱、通風和照明。隨著互聯(lián)網(wǎng)和無線網(wǎng)技術(shù)的普及，嵌入式計算在技術(shù)上和經(jīng)濟上都變得更加可行，互動建筑領(lǐng)域也呈現(xiàn)出空前的多樣性和可能性（圖2）。盡管近些年技術(shù)的飛速更新已經(jīng)極大促進了互動建筑的進步，但建筑工業(yè)在新技術(shù)的使用上一直存在滯后性，尤其在嵌入式計算方面，明顯落后于汽車工業(yè)、航天工業(yè)、娛樂業(yè)以及消費品制造業(yè)。

1 歡樂宮室內(nèi)透視圖（圖片來源：www.cca.qc.ca）

如今，建筑師不再僅僅解決過去面對的人機互動問題，而在探索互動建筑的新方向和新美學，例如，如何讓互動建筑轉(zhuǎn)向模仿生命活動?；咏ㄖ哪Ｊ秸趶臋C械式轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C式，或者說更加自然。英國建筑學者提出建筑將會越來越可變，并具有以下特征：適應(yīng)不同功能和要求，具有形變的可能性，可移動性，具有互動性的建筑室內(nèi)外[1]。這些特征是多種因素共同運作的結(jié)果，既可以用來控制能源，也可以用來控制建筑的外觀。建筑將變得既具有自動化特征，又具有“直覺”，也就是說，無需過度精確的輸入就能產(chǎn)生一整套恰當?shù)倪m應(yīng)性反應(yīng)。近些年互動建筑探索的代表人物邁克爾·福克斯（Michael Fox）和菲利普·比斯利（Philip Beesley），則以不同類型的定義作為切入點，創(chuàng)建人與空間之間的新雙向關(guān)系。他們都強調(diào)互動建筑的嵌入式計算和物理變化，?？怂垢P(guān)注互動（Interactive），比斯利更看重反應(yīng)（reactive）。比斯利所說的反應(yīng)，是指一套在某個范圍內(nèi)感知行為的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以根據(jù)程序和設(shè)定好的邏輯做出動態(tài)響應(yīng)[2]。福克斯的互動，強調(diào)的是可循環(huán)，而不僅僅是反應(yīng)。這兩者的區(qū)別實際上沒有那么明顯，都試圖建立一套完整的互動系統(tǒng)[3]。因此，不論是互動系統(tǒng)還是反應(yīng)系統(tǒng)，其背后隱藏的使用者和技術(shù)之間的互動模式才是重點。現(xiàn)有技術(shù)條件下的互動模式分為三種：直接控制模式、間接控制模式和兩者兼有的混合控制模式。其中，混合模式優(yōu)點明顯，也易于滿足互動模式的目標：使用者可以任意調(diào)整面對機器的方式，以便在兩者之間實現(xiàn)共同的反饋平衡，換句話說，建筑可以向使用者學習，使用者也可以向建筑學習。這樣，建立互動系統(tǒng)的主要原則就是如何建立一套系統(tǒng)，既能讓使用者擁有足夠靈活性，又能避免隨意性，以便防止不可知的輸出結(jié)果所導致的脫節(jié)狀態(tài)?；咏ㄖ媾R的挑戰(zhàn)不是如何提供更高效更優(yōu)化的互動系統(tǒng)，而是如何持續(xù)鼓勵和激發(fā)使用者的創(chuàng)造力，并在使用者和系統(tǒng)之間不斷創(chuàng)建新型的對話關(guān)系，以避免陷入無聊而單一的建筑環(huán)境。

2 互動建筑設(shè)計的教學實踐

在此背景下，我們在東南大學建筑學院四年級本科教學中設(shè)置了互動建筑設(shè)計教學環(huán)節(jié)，試圖讓學生在8周時間內(nèi)理解和整合機械電子技術(shù)和建成空間，對未來設(shè)計的可能發(fā)展方向做出自己的思考。作為具有前瞻性的設(shè)計題目，要求設(shè)計成果不能只停留在紙面建造。在短短8周內(nèi)，學生們需要先學習基本的編程和機械電子技術(shù)，針對特定的使用需求，提出互動建筑空間的基本模式，最后建造出小尺度的互動空間原型實體模型。

我們從設(shè)計的角度將互動建筑分為4個主要方向：表皮（envelope）、空間（space）、結(jié)構(gòu)（structure）和媒體（media），試圖讓學生從建筑本身的問題出發(fā)創(chuàng)造獨特的互動模式，并建立相應(yīng)的設(shè)計和制造系統(tǒng)。

表皮方面指的是，如何利用新技術(shù)探索使用者與建筑立面或內(nèi)部空間表面之間的互動；空間方面指的是，如何利用互動技術(shù)創(chuàng)造與使用者相輔相成的空間布局和限定；結(jié)構(gòu)方面是指與使用者產(chǎn)生互動的可動和可變結(jié)構(gòu)探索；媒體是指利用新媒體或信息展示技術(shù)與使用者在建成環(huán)境中產(chǎn)生直接或間接互動的探索。最終的設(shè)計成果呈現(xiàn)如下：

2.1以規(guī)律變化的表皮和信息互動為主

針對相對單一或枯燥的建筑室外空間，以及現(xiàn)有城市公共空間中信息展示的無序和混亂狀態(tài)，“信息墻”（Hexagon Info-Wall）同時整合了表皮和媒體兩個方向的互動模式，其最終目標是設(shè)計和搭建一個包含六邊形“像素”的信息展示表皮幕墻系統(tǒng)，為公眾提供具有參與性和互動性的公共場所，同時激活建筑、場地和使用者，并讓三者之間產(chǎn)生互動（圖 3）。

利用arduino程序及相關(guān)電子和機械裝置，“信息墻”搭建了一個等比例的局部單元模型，以模擬真實環(huán)境下的互動。這個設(shè)計既考慮了“墻面”的視覺審美效果，又考慮了整合電子機械設(shè)備的各種可能性，以便模擬真實情況下使用者與“信息墻”之間的互動，為真實建造提供可行和合理的參考。具體而言，當使用者靠近“信息墻”時，墻面上的六邊形單元會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變化，以產(chǎn)生不同的信息組合模式（圖4）。

2 巴哈爾大廈（Al Bahar tower）動態(tài)立面（圖片來源：picstopin.com）

3“信息墻”場景設(shè)想效果圖（繪圖：鄒傳正，蔣鈺人，方志華）

4“信息墻”最終實體模型（攝影：虞剛，李力）

2.2以水平和垂直互動空間劃分為主

這個方向包含了兩個方案，一個以水平互動空間為主展開互動模式的探索，另一個以垂直互動空間為主。兩個方案的設(shè)計過程類似，都分為4個階段：根據(jù)特定的使用需求，提出初步概念；制作簡化版實物和數(shù)字模型，驗證概念的合理性和可行性；在模型中整合相關(guān)軟件、程序、電子裝置和機械架構(gòu)，實現(xiàn)滿足需求的傳動和互動模式；終版實物模型的制作和測試。除了空間限定模式的不同，兩個方案之間的最大不同在于傳動模式：水平限定為主的方案采用類似于打印機步進電機的工作模式，通過左右水平向運動方式引導不同的空間分割組件水平移動，以便實現(xiàn)多種方式的水平空間限定；垂直限定為主的方案也采用步進電機作為驅(qū)動，但采用的是偏心圓轉(zhuǎn)動的方式實現(xiàn)單元組件不同距離的上下移動，以實現(xiàn)垂直方向的多種空間限定。由于實際條件的限制，小尺度模型更偏向于原理模擬，而不完全是實際運用。不過，在實際工程中，根據(jù)此小樣模型做出相應(yīng)的調(diào)整，替換更堅固耐用的材料、電子設(shè)備及組件，便可滿足實際需求（圖5）。

以水平互動空間研究為主的“動態(tài)交織”（Kinetic Weaving）方案，希望改變走道或類似空間的封閉屬性，試圖根據(jù)使用者的需要創(chuàng)造動態(tài)的空間分割模式，例如廊道模式、半圍合模式或斜線穿越模式，以便改變通常的水平空間劃分模式。此設(shè)計搭建了等比例模型，以便模擬幾種空間模式的開啟和閉合。這個方案的主體空間由12個板塊單元圍合而成，每個模塊由一個步進電機在水平方向驅(qū)動，以形成不同的圍合和空間限定方式。與人互動的傳感器分別安裝在地板和側(cè)面，12個板塊單元會根據(jù)感應(yīng)裝置對使用者行為的判斷，同時做出相應(yīng)的空間劃分組合和變化（圖6）。

以垂直互動空間研究為主的“弦下”（Under the Sine）方案希望改變通常的垂直空間限定模式，也就是將常規(guī)意義上的“天花板”從靜態(tài)轉(zhuǎn)換為動態(tài)，以滿足不同情況中使用者的需求和愿望（圖7）。在設(shè)計和制作過程中，方案先是將“天花板”轉(zhuǎn)換為多個小單元，然后利用感應(yīng)系統(tǒng)和傳動裝置將多個小單元的正弦曲線運動模式轉(zhuǎn)化為電機驅(qū)動的圓周運動模式，巧妙地實現(xiàn)了多個單元體之間的規(guī)則波浪形動態(tài)組合（圖8）。這個方案的最終目標是，建立可根據(jù)使用者不同行為產(chǎn)生相應(yīng)變化的水平向“天花”。

2.3以豎向結(jié)構(gòu)體變形互動為主

“葉亭”（Leaves Pavilion）方案試圖思考建筑物為何互動、為何吸引人和如何吸引人的問題，思考和理解建筑物與群體行為之間的互動關(guān)系，以及互動方式對人們?nèi)粘Ｉ畹母深A程度?！叭~亭”設(shè)置了一組可動可展開的獨立柱亭，可以根據(jù)人們在場所中的集散狀況做出相應(yīng)的變化，一方面為人們提供某種程度的遮風避雨的場所，另一方面也使場所中的人們感受到互動的樂趣（圖9）。

根據(jù)前面設(shè)想的景觀方案，這個設(shè)計制作了等比例的互動模型，以便模擬真實的互動場景。在設(shè)計過程中，既要考慮電子設(shè)備機械裝置的整合，又要考慮實際建造的可能性，還要對整套傳感器和電機進行編碼與控制，考慮零件和材料的組裝方式，同時，解決傳動和感應(yīng)帶來的各種摩擦損耗、震動頻率和組裝問題（圖10）。

由于與通常的建筑設(shè)計教學存在較大差別，教學包含了很多跨學科跨專業(yè)的內(nèi)容，我們重新設(shè)計了教案，并將8周的教學過程分成4個環(huán)節(jié)的內(nèi)容：

首先是設(shè)計的初步階段，也就是提出預期設(shè)計構(gòu)想和具體操作步驟。初步設(shè)計方案通常是一個概要性的設(shè)計，一方面可以針對特定建筑設(shè)計問題提出初步設(shè)想，另一方面也可以為后來的互動實體構(gòu)造設(shè)計及互動控制系統(tǒng)提供具體的發(fā)展方向。

其次是互動實體模型設(shè)計階段，也就是說，利用計算機軟件，設(shè)計和優(yōu)化或者模塊化基本單元，建立數(shù)字模型，研究基本單元之間的組合模式。同時，建立初步的實體模型驗證，優(yōu)化已有的數(shù)字模型，然后以此為基礎(chǔ)，構(gòu)成基本的互動系統(tǒng)，并最終形成一體化的互動實體構(gòu)造。

5“動態(tài)交織”模型細部和制作（圖片來源：傅瑞盈，王玥，茆羽攝）

7“弦下”效果圖（繪圖：呂雅蓓，王晨，徐海聞，葛鵬飛）

6“動態(tài)交織”實體模型互動演示（攝影：虞剛，李力）

8“弦下”實體模型互動（攝影：虞剛，李力）

第三是互動控制系統(tǒng)設(shè)計階段，其中的控制系統(tǒng)包括軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)主要依靠設(shè)計者自己開發(fā)，開展計算機語言編程，硬件系統(tǒng)包括感應(yīng)器、電路板和機械傳動裝置的設(shè)計和調(diào)試?？刂葡到y(tǒng)將建立互動界面中各類電子感應(yīng)元件與環(huán)境活動之間的聯(lián)系。然后，通過編寫相應(yīng)的計算機程序語言，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)運行的控制。

最后是數(shù)控制造和組裝階段。互動建筑環(huán)境的建造，以及互動系統(tǒng)的控制都可以預先在編制好的計算機程序和數(shù)字模型中模擬驗證并進行修正，同時利用相關(guān)工具設(shè)備，安裝和制作初步實體模型，然后反復調(diào)試、優(yōu)化甚至重建整個系統(tǒng)模型。

這4個環(huán)節(jié)不是相互孤立和線性發(fā)展的關(guān)系，在8周的教學過程中需要學生進行不斷的反饋循環(huán)，優(yōu)化不同階段得到的實驗結(jié)果，才能最終建立一個相對完整和可行的互動建筑系統(tǒng)。最終教學成果以可與人體互動的實體模型為主，同時輔以標準的建筑圖紙內(nèi)容以及視頻，這樣既能讓學生明白互動建筑如何可教可學，又能為教學成果提供清晰的判別標準。

3 互動建筑設(shè)計的教學目標

近些年不斷快速更新的數(shù)字技術(shù)，一方面為互動建筑系統(tǒng)的創(chuàng)造和運作提供了更多的可能性，另一方面也為互動系統(tǒng)帶來更多的復雜性和不確定性。如何更好地整合技術(shù)更新和現(xiàn)有互動系統(tǒng)，將是互動建筑面臨的重要問題。這需要將數(shù)字技術(shù)的全面介入納入到特定的框架和可控范圍內(nèi)，以保證整體系統(tǒng)的順利運行[4]。

首先，要保證有足夠可變和可控的剛性。數(shù)字技術(shù)需要被整合到剛性可變和可控的結(jié)構(gòu)和材料中，才能保證所受張力或拉力的可控，進而保證力在整個結(jié)構(gòu)中的順暢傳導。其次，要充分利用軟件建立預測性數(shù)字模型，分析和測試互動系統(tǒng)。軟件模型將幫助設(shè)計者有效發(fā)展和提煉設(shè)計過程，以對互動系統(tǒng)開展更精確的控制。第三，既要在數(shù)量和質(zhì)量方面給予環(huán)境參數(shù)以足夠的余量，也要給予互動系統(tǒng)自身運轉(zhuǎn)足夠的余量。第四，要充分預估設(shè)計的難度而不是數(shù)字技術(shù)本身的難度?；咏ㄖ到y(tǒng)運作失控或失效，常常是設(shè)計問題引起的結(jié)果，而不是技術(shù)問題。第五，要在數(shù)字技術(shù)工具或設(shè)備與現(xiàn)實世界之間建立合理準確的對應(yīng)關(guān)系。數(shù)字技術(shù)讓互動建筑在收集現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)并做出反饋的過程中變得更加準確和快捷，但也可能會制造更大的問題[5]。

教學過程制作互動裝置的目的，不只是簡單要求學生做個會動的模型，也希望學生重新反思當代建筑學面臨新技術(shù)時產(chǎn)生的兩個問題：第一是重新反思技術(shù)和建筑的關(guān)系。例如，靜態(tài)空間常常不暴露技術(shù)如何運作，而互動空間則不得不面對各種互動技術(shù)的顯現(xiàn)，應(yīng)如何處理好這種顯現(xiàn)？第二是重新反思建筑師的角色。19世紀以來，建筑技術(shù)越來越將建筑師排除在外，然而，隨著數(shù)字時代新型互動技術(shù)的興起，以及人工智能技術(shù)的大范圍普及，將迫使建筑師重新審視這個問題，否則將無法適應(yīng)和滿足人類日益擴大的互動需求。

互動技術(shù)本身能提供的支持已經(jīng)遠遠超過建筑學對互動技術(shù)的理解和需求，在互動建筑設(shè)計教學中，首先需要改變的是自身的認識和觀念，其次要重新審視并深入?yún)⑴c到互動技術(shù)中，才能真正創(chuàng)造出新技術(shù)條件下符合互動需求的互動空間?！酰ǜ兄x參與四年級互動建筑設(shè)計教學的同學們：周宇琪、徐思暢、張亞傅、瑞盈、王玥、茆羽、呂雅蓓、王晨、徐海聞、葛鵬飛、鄒傳正、蔣鈺人、方志華）

9“葉亭”應(yīng)用場景效果圖（繪圖：周宇琪，徐思暢，張亞）

10“葉亭”最終實體模型（攝影：虞剛，李力）